超聲波輔助雙酶法酶解玉米淀粉的工藝條件優(yōu)化

孟國(guó)良，亓翠英，何超元 (萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東萊蕪271100)

我國(guó)是淀粉制糖生產(chǎn)大國(guó)，但是我國(guó)由淀粉轉(zhuǎn)化為葡萄糖的工業(yè)化水平較低，需要尋找提高淀粉轉(zhuǎn)化率的有效途徑［1－6］。超聲波是頻率髙于20 kHz的聲波，超聲波處理能使生物質(zhì)高分子的形態(tài)結(jié)構(gòu)和超微結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，有利于提高酶的催化活性［7］。目前對(duì)超聲波輔助液化酶和糖化酶水解淀粉的作用已有研究［8］，但是在試驗(yàn)中僅考察單一因素對(duì)于葡萄糖含量的影響，所得到的工藝條件不夠科學(xué)，說(shuō)服力不強(qiáng)。

筆者采用正交設(shè)計(jì)對(duì)超聲波輔助液化酶和糖化酶水解淀粉進(jìn)行研究，試驗(yàn)的代表性強(qiáng)，避免了全面試驗(yàn)所帶來(lái)的復(fù)雜性，減少了工作量，所得到的最優(yōu)工藝條件能夠?yàn)槠髽I(yè)提髙糖收率、降低生產(chǎn)成本提供參考。

1 材料與方法

1．1 材料與儀器

1．1．1 原料及試劑。玉米淀粉，自制;耐高溫 α-淀粉酶(100 000 U/ml)，諾維信(中國(guó))生物技術(shù)有限公司;糖化酶(100 000 U/ml)，諾維信(中國(guó))生物技術(shù)有限公司;其他試劑均為分析純。

1．1．2 主要儀器。JY92-II DN型超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)，寧波新藝超聲設(shè)備有限公司;HH-A型恒溫水浴攪拌器，江蘇省金壇市中大儀器廠;UV-1601型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，北京北分瑞利分析儀器有限公司。

1．2 超聲波輔助酶解淀粉的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1．2．1 液化過(guò)程試驗(yàn)設(shè)計(jì)。選取淀粉質(zhì)量濃度、加酶量(耐高溫α-淀粉酶)、超聲功率、反應(yīng)時(shí)間為主要考察因素，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1。為減少試驗(yàn)誤差，同一條件下的試驗(yàn)重復(fù)3次。

表1 液化過(guò)程正交試驗(yàn)因素水平

1．2．2 糖化過(guò)程試驗(yàn)設(shè)計(jì)。在上述“1．2．1”液化過(guò)程優(yōu)選工藝的基礎(chǔ)上，選取加酶量(葡萄糖淀粉酶)、超聲功率、反應(yīng)時(shí)間為主要考察因素，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表2。

表2 糖化過(guò)程正交試驗(yàn)因素水平

1．3 玉米淀粉的酶解工藝流程［6］

1．3．1 液化過(guò)程超聲處理。將淀粉和蒸餾水按一定比例進(jìn)行混合，然后用0．1 mol/L 的 HCl溶液調(diào) pH 為(5．9 ±0．1)，加入液化酶，于95℃恒溫水浴攪拌器中將超聲波變幅桿插入淀粉乳液面以下2 cm，磁力攪拌轉(zhuǎn)速70%，超聲輔助液化10 min，液化完成后，冷卻至60℃，用HCl溶液調(diào)pH為2．2，滅酶30 min，測(cè)其DE值。

1．3．2 糖化過(guò)程超聲處理。吸取上述按“1．3．1”方法液化完成后的液化液，用 1 mol/L NaOH 調(diào) pH(4．4±0．1)，加入糖化酶，放入60℃恒溫水浴攪拌器中，將超聲波變幅桿插入淀粉乳液面以下2 cm，磁力攪拌轉(zhuǎn)速70%，超聲輔助糖化一定時(shí)間，糖化完成后，冷卻，測(cè)其DE值。

1．4 DE值測(cè)定 參考GB/T 22428．1－2008淀粉水解產(chǎn)品還原力和葡萄糖當(dāng)量測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2．1 超聲波輔助淀粉酶酶解玉米淀粉的工藝條件優(yōu)化［9］由方差分析可知，F(xiàn)A=4．367 187 5，F(xiàn)B=0．968 75，F(xiàn)C=3．898 437 5，F(xiàn)D=2．023 437 5，F(xiàn)(0．05)(2，18)=3．55;由此可以看出，淀粉濃度、超聲波功率對(duì)液化液中DE值影響顯著。結(jié)合表3試驗(yàn)結(jié)果可知，淀粉濃度選0．3 g/ml最優(yōu)，超聲波功率選100 W最優(yōu)，加酶量和反應(yīng)時(shí)間對(duì)液化液中DE值影響不顯著，3個(gè)水平可以任選其一，但考慮到降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)效益，加酶量宜選最低水平20 U/g，液化反應(yīng)時(shí)間1 h為宜。綜上分析，超聲波輔助淀粉酶酶解淀粉的最佳工藝參數(shù)為:淀粉質(zhì)量濃度0．3 g/ml，加酶量20 U/g，超聲功率100 W，反應(yīng)時(shí)間1 h。

表3 超聲波輔助淀粉酶酶解玉米淀粉正交試驗(yàn)的結(jié)果

2．2 超聲波輔助糖化酶酶解玉米淀粉的工藝條件優(yōu)化 由方差分析可知，F(xiàn)A=151，F(xiàn)B=39，F(xiàn)C=43，F(xiàn)0．05(2，2)=19．0，F(xiàn)0．01(2，2)=99．0;由此可看出，加酶量、超聲波功率和糖化時(shí)間對(duì)糖化液中葡萄糖含量影響顯著。結(jié)合表4試驗(yàn)結(jié)果可知，加酶量選50 U/g淀粉最優(yōu)，超聲波功率選100 W最優(yōu)，糖化反應(yīng)時(shí)間選60 h最優(yōu)。綜上分析，超聲波輔助糖化酶酶解淀粉的最佳工藝參數(shù)為:加酶量50 U/g淀粉，超聲功率100 W，糖化反應(yīng)時(shí)間60 h。

表4 超聲波輔助糖化酶酶解玉米淀粉正交試驗(yàn)的結(jié)果

3 討論

在淀粉酶解轉(zhuǎn)化為葡萄糖的過(guò)程中，液化液的質(zhì)量對(duì)于糖化液中葡萄糖的轉(zhuǎn)化率起著決定性的作用，為此，在預(yù)先試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，液化過(guò)程試驗(yàn)在酶解溫度、pH保持不變的條件下，確定了淀粉質(zhì)量濃度、加酶量、超聲功率、反應(yīng)時(shí)間4個(gè)因素3個(gè)水平的試驗(yàn)方案，并且同一條件下做了3次重復(fù)試驗(yàn)，目的是為了確保優(yōu)選出最高液化DE值下的工藝條件，從而為糖化液中糖轉(zhuǎn)化率的提高奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

經(jīng)優(yōu)化試驗(yàn)研究后，獲得的最佳液化工藝條件如下:淀粉質(zhì)量濃度0．3 g/ml，加酶量20 U/g淀粉，超聲功率100 W，反應(yīng)時(shí)間1 h;獲得的最佳糖化工藝條件如下:加酶量50 U/g淀粉，超聲功率100 W，糖化反應(yīng)時(shí)間60 h。

預(yù)試驗(yàn)表明，酶解活性與超聲頻率無(wú)關(guān)，僅與超聲功率相關(guān)，與相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)論一致［10］。玉米淀粉按照優(yōu)化工藝條件制得的糖漿經(jīng)驗(yàn)證，DE值達(dá)到107%以上，完全符合GB/T20880－2007中的要求。

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